高压电缆对电网无功平衡的影响及相应措施

・试验研究・

高压电缆对电网无功平衡的影响及相应措施

王　非1,李群炬1,李　伟2

(1.华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045;2.北京电力设计院,北京100055)

摘　要:随着负荷不断增长,同时由于线路走廊日益紧张,中高压电缆越来越广泛地被应用于大城市的220kV和110kV电网中。由于电缆的充电功率比普通架空线路高一个数量级,如何进行无功补偿是一个需要认真研究的课题。针对北京电网中电缆不断增加的情况,探讨分析了合理调节电缆线路产生的充电功率问题,提出了装设感性无功补偿设备的具体方法。关键词:电缆;充电功率;感性无功补偿中图分类号:TM726.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:100329171(2007)0620001203

EffectofHigh-voltageCableonReactive

PowerBalanceandAppropriateMeasures

WangFei,LiQun2ju,LiWei

1

1

2

(1.NorthChinaElectricPowerResearchInstituteCo.Ltd.,Beijing100045,China;

2.BeijingElectricPowerDesignInstitute,Beijing100055,China)

Abstract:Alongwithcontinuedincreasingpowerloadandshortageoflinecorridor,medium2highvoltagecablewasgenerallyusedat220kVand110kVpowergridinmetropolis.Aschargingpowerofcableisaboutoneorderofmagnitudehigherthangeneraloverheadline,howtocompensatereactivepowerisanewsubjecttous.ThearticleaimedatincreasingcableapplicationinBeijingGrid,triedtofindawaytoadjustchargingpowerofcabletoareasonablelevel,andproposedinstallationmethodsofinductancereactivepowercompensationequipment.

Keywords:cable;chargingpower;inductancereactivepowercompensation

1　概述

随着城市电网建设的需要,220kV电压等级的电缆线路铺设量逐渐增加,由于每公里电缆线路电容值较大,产生的充电功率比常规架空线路约高一个数量级,为更好地利用和调节电缆线路产生的充电无功容量,在电网中需要装设一定容量的感性无功补偿设备,以补偿电网小负荷运行方式时电缆线路多余的充电无功功率。

当高压电缆线路数量较少时,所产生的充电无功对电网的影响很小,基本上可以忽略不计;但当某一变电站高中压进出线大部分或全部采用电缆线路时,所产生的充电无功就会对母线电压造成较大影响。因此,对电缆所产生的充电无功容量进行补偿计算分析是十分必要的。计算分析所遵循的依据是《国家电网公司电力系统无功补偿配

置技术原则》文件中第4章针对220kV变电站的

配置要求,同时结合电网实际情况,通过大量的计算分析后,方可提出适合电网需要的补偿方案。

2　计算实例

为确定北京电网220kV电缆充电无功的影响并采取合适的补偿措施,以2006年冬季方式为基础数据,重点分析后夜小方式下电缆充电无功对电网的影响。计算的边界条件如下:地区内发电机功率因数按滞相0.95,变压器负荷率按40%,负荷功率因数按0.98,不考虑负荷的动态特性;220kV侧电压按北京地区后夜电压平均值228kV计算;计算中各级母线电压的上、下限参

照《电力系统电压质量和无功电力管理规定》中母线电压允许偏差值确定;站内变压器暂按单台考虑,仅考虑两种变压器容量,分别为180MVA、

　　　　　　　　　　　　华北电力技术　　NORTHCHI2NAELECTRICPOWER　　　　　　　　No.6　2007

表1　1000mm2截面电缆典型数据

电缆长度󰃗km

15102030

(8・km󰃗

R

-1)

(8・km󰃗

X

-1)

(8・km󰃗

B

-1)

R3X3B3

󰃗kV

228228228228228U

󰃗Mvar

2.814.028.156.284.2

Q

0.01760.08800.88000.35200.5280

0.21041.05202.10404.20806.3120

0.00010.00030.00050.00110.0016

0.00030.00170.00330.00670.0100

0.00400.01990.03980.07950.1193

0.00290.01430.02860.05712.3999

表2　2500mm2截面电缆典型数据电缆长度󰃗km

15102030

R

X

B

(8・km-1)󰃗0.00730.03650.36500.14600.2190(8・km-1)󰃗0.17710.88551.77103.54205.3130

(8・km-1)󰃗0.00010.00040.00070.00150.0022

R3X3B3󰃗kV

228228228228228

U

󰃗Mvar

3.819.138.276.4114.6

Q

0.00010.00070.00140.00280.0041

0.00330.01670.03350.06700.1004

0.00390.01940.03890.07773.2649

250MVA,变压器参数取典型值,电缆的典型数

偿容量选择系数;

感性补偿容量——指在某一短路容量下变电站需要安装的感性无功补偿容量,Mvar;

、中压侧进出线部分或2无功——指该变电站高

全部使用电缆产生并注入该站母线的充电无功总和。

R值越大,说明该变电站短路容量较低,补偿同

据详见表1、2。

3　计算内容

使用通用的BPA程序,分别计算了电缆充电

无功对8种短路容量(2000～16000MVA,每增加2000MVA为1档)下,不同的220kV变电站无功电压的影响。电缆的总充电功率以该站注入的总无功计算(10～100Mvar,每增加10Mvar为1档)。由于数据项目较多关系较复杂,在此因篇幅有限就不做累述。

样数量的充电无功所需要的感性无功补偿容量就越大;反之,则所需要的感性无功补偿容量就越小。

以180MVA容量变压器为例,根据表3中所列计算结果,变电站短路容量为8000MVA时,若进出线电缆产生总无功为100Mvar,则在低压侧投入感性无功容量22.5Mvar(R值为0.225)方可使变压器三侧电压满足电压运行范围要求。如变电站短路容量为16000MVA时,进出线电缆产生总无功为100Mvar,只需要在低压侧投入感性无功容量12Mvar(R值为0.12)就可使变压器三侧电压满足电压运行范围要求。表3列出了各种情况下建议补偿的比例。

在电网中,通常枢纽站的短路容量要大于负荷站,所以根据表3的数据可以看出,某一变电站装设感性无功补偿设备的容量与该站在系统中所处的位置相关,即枢纽站配置的感性补偿容量可以比负荷站补偿容量小。

220kV电缆充电无功的补偿,可以使用高压(220kV、110kV)、低压(35kV、10kV)的电抗器

4　计算结果及结论

除了在BPA中进行计算外,还需要用理论公

式加以验证,无功计算方法推荐采用以下公式:

∃Q(1)∃u󰂕

SSC

式中　∃u——节点电压的变化量,kV;

∃Q——节点注入无功的变化量,Mvar;SSC——节点的短路容量,MVA。

由式(1)可以看出,电缆线路的充电功率所形成的无功增量造成的变电站母线电压波动与该节点的短路容量水平密切相关,短路容量越大对无功增量的敏感度越低,电压波动越小;反之短路容量越小电压波动越大。为了描述不同短路容量下,感性无功补偿与电缆充电无功之间的关系,以补偿系数R作为表述指标,R值的计算公式如下:

(2)R=感性补偿容量󰃗2无功式中　R——各种短路电流情况下的感性无功补

或静止无功补偿器(SVC)进行补偿。

高压并联电抗器仅用于电网无功平衡时,其安装位置宜选择在220kV母线上,并宜加装断路

器以方便投切。

No.6　2007　　　　　　　华北电力技术　　NORTHCHINAELECTRICPOWER　　　　　　　　　　　　　3

表3　各种短路电流情况下的感性无功补偿容量选择值

220kV变电站短路容量󰃗MVA

200040008000120001400016000

220kV变电站

主变容量󰃗MVA

180

250180250180250180250180250180250补偿系数R值

0.6150.7450.3900.4940.2250.2950.1600.2100.1350.1850.1200.164压电抗器造价较高,但相对传统的调相机造价较低。电力系统中是否采用SVC取决于对系统的要求、装置价格和维护及可靠性方面的综合评价。

关于高压及低压电抗器的选择问题,建议如下:(1)首先应进行220kV高压电缆线路的工频过电压和操作过电压计算,根据计算结果确定是否超限。如果过电压计算有问题则考虑使用高压并联电抗器,其安装位置通常在线路上,通过断路器或刀闸进行连接;如果均无问题则宜优先选择装设低压电抗器。(2)低压电抗器的单组容量不宜选择过大。单组容量的选择应通过计算得出,并结合当地短路容量的大小综合确定。通常应在低压电抗器投切时所产生的本母线电压波动不宜大于额定值的2.5%。

(3)每台变压器配置的低压电抗器总容量不宜过大。低压电抗器过于集中投入时,除对母线电压产生影响外,还影响变压器的有功、无功损耗,使网损增加。尤其在低压侧带有直配负荷时,低压电抗器的总容量更应控制在其投切不影响负荷侧电压合格率的范围以内。

(4)不论高压电抗器、低压电抗器,其安装地点宜选择在短路容量较大的变电站母线上。

(5)对于日负荷波动较大或者缺少电压支撑的供电地区,亦可选用TCR型SVC进行补偿,采用SVC不但可以迅速补偿小负荷时的剩余充电无功,减少电压波动,还可以提高电网的稳定性,增加电网的无功储备,是一种一举两得的办法。

收稿日期:2007202228

作者简介:王　非(1973-),女,1996年毕业于华北电力大学电力系统及自动化专业,现从事电力系统计算分析工作。

　　低压电抗器被用于无功平衡的优点是造价低,操作方便。但低压电抗器的缺点是安装地点固定,且受其安装侧电压波动等因素的限制。如果安装侧有直配负荷出线,其低压电抗器投切会对负荷侧电压合格率造成影响;当变压器低压侧带有站用变时,低压电抗器的投切也会对站用电的电压产生影响,如果通过计算确有影响,可以考虑主变低压侧或站用变增加有载调压机构。另外,低压电抗器必须在变压器投入运行时才能投入,变压器检修时低压电抗器也退出运行,影响低压电抗器的利用率。

静止无功补偿器(SVC)是由晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)构成的静止无功补偿器,可以随节点无功的变化情况实现对无功补偿的快速精确调节,其特点是动态响应时间快,且可以实现平滑调节。TCR型SVC,利用晶闸管阀控制电抗器,同时配有开关投切的滤波补偿电容器组,在技术上已经成熟,近年来在系统内被广泛应用,效果良好。目前SVC相对单纯的低

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